DE102005005729A1

DE102005005729A1 - Nachträgliches Verstärken von Rohren bzw. von rohrförmigen Kanälen in Profilen durch Faserverbundwerkstoffe

Info

Publication number: DE102005005729A1
Application number: DE200510005729
Authority: DE
Inventors: Eckart Dr. Schütze
Original assignee: Schuetze GmbH
Current assignee: Schuetze GmbH
Priority date: 2005-02-09
Filing date: 2005-02-09
Publication date: 2006-08-10

Abstract

Um die gewichtsbezogene Biegesteifigkeit in Rohren insbesondere von Metallrohren (20) aber auch von stranggepressten oder stranggezogenen Profilen (10) zu erhöhen, werden diese Rohre bzw. die entsprechenden rohrförmigen Kanäle (11, 31) von Profilen mit Faserverbundwerkstoffen versehen, deren Fasern im Wesentlichen in Längsrichtung angeordnet sind. Als Fasermaterialien kommen bevorzugt Carbonfasern zur Anwendung. Zwischen dem CFK-Stab und dem Umgebungsmaterial wird eine Schicht aus Faserschlauchgewebe (14, 24, 34) angeordnet, mit der mögliche Spannungen, die durch unterschiedliche Wärmedehnungen der Materialien verursacht werden, abgebaut werden. DOLLAR A Das Einbringen der Faserverbundstäbe erfolgt mit einer oder mehreren Lagen von harzgetränkten Schlauchgeweben, mit denen die nicht ausgehärteten Faserverbundstäbe in die rohrförmigen Kanäle gezogen werden. Ausgehärtete Faserverbundstäbe werden entweder auch mit Schlauchgeweben in die Rohre gezogen oder aber auch einfach in die zumindest teilweise mit Harz gefüllten rohrförmigen Kanäle geschoben.

Description

Einleitung und Stand der Technik:

Für tragende Strukturen werden häufig aus Kostengründen stranggepresste bzw. stranggezogene Metallprofilen verwendet, die als Halbzeuge zur Verfügung stehen. Im allgemeinen bestehen diese Profile aus Aluminium und besitzen häufig in Längsrichtung angeordnete rohrförmige Kanäle sowie Nuten, die Befestigungsmöglichkeiten darstellen. Die gewichtsbezogene Steifigkeit und Festigkeit dieser Träger ist durch das Material vorgegeben und lässt sich nur durch größere Querschnitte erhöhen. Dies führt jedoch bei gleichem Gewicht zu dünnwandigen Trägern und erhöht damit die Neigung zum Stabilitätsversagen. Darüber hinaus lassen sich in vielen Anwendungen die Querschnitte nicht einfach vergrößern.

Eine ähnliche Problematik findet man auch bei einzelnen Rohren mit runden oder anderen Querschnitten. Auch ihre Biegesteifigkeit ist bei gegebener Geometrie durch das Material vorgegeben und damit begrenzt.

Lösung des Problems

Um Steifigkeit und Festigkeit der preiswerten, stranggepressten/stranggezogenen Metallprofile (10) mit rohrförmigen Kanälen (11) oder aber von Metallrohren (20) selbst zu erhöhen, werden CFK (Carbonfaserkunststoff) -Gurte (12, 22, 23, 13) eingezogen, deren Fasern sich im wesentlichen in Längsrichtung (unidirektional) erstrecken (1).

Zur Erhöhung des Flächenträgheitsmomentes von Profilen mit mehreren rohrförmigen Kanälen (11) ist es sinnvoll, diese möglichst weit außen anzuordnen. CFK-Füllungen – vornehmlich in den Randzonen der Profile vorgenommen – verleihen den Profilen hohe Biegesteifigkeiten und Festigkeiten bei nur geringer Gewichtszunahme. Wie 1 zeigt, können die rohrförmigen Kanäle auch nicht kreisförmige Querschnitte (beispielsweise rechteckige) besitzen. Abgesehen von stranggepressten bzw. stranggezogenen Profilen eignen sich für eine solche Faserverstärkung auch Profile, die aus Rohren und Platten zusammengeschweißt sind.

Bei einfachen dünnwandigen Metallrohren (20) (2) lässt sich die gewichtsbezogene Biegesteifigkeit und Festigkeit durch Einziehen oder Einschieben von CFK-Vollstäben (22) oder aber CFK-Sandwichstäben (23) ebenfalls erheblich vergrößern.

Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen von Metallen und CFK kommt es bei Temperaturunterschieden zu Spannungen, denen speziell in der Klebschicht zwischen den CFK-Gurten und den metallischen Röhren Beachtung geschenkt werden muss. Um diese Spannungen zu verkleinern, werden Koppelschichten (14) aus Glas- bzw. C-Faser-Gewebe vorgesehen. Koppelschichten aus Glasfaserschlauchgewebe stellen darüber hinaus eine elektrische Isolierung zwischen dem CFK-Stab und metallischen Werkstoffen dar und verhindern so eine elektro-chemische Korrosion.

Einbringen der CFK-Gurte

Für das Einbringen der Gurte aus unidirektionalen Fasern gibt es verschiedene Methoden:

1. Die Fasern werden im nassen, nicht ausgehärteten Zustand in die Kanäle bzw. in einzelne Rohre gezogen. In diesem Fall umgibt den Strang aus unidirektionalen C-Fasern ein Glas- bzw. C-Faser-Gewebeschlauch, mit dessen Hilfe der Strang in den Kanal gezogen wird. Der Querschnitt des Stranges mit dem entsprechenden Gewebeschlauch füllt dabei nahezu vollständig den Querschnitt des Kanals aus.
2. Es wird ein CFK-Vollstab aus unidirektionalen C-Fasern hergestellt und anschließend im ausgehärteten Zustand in den Kanal eines stranggepressten Profils gesteckt, das vorher zumindest teilweise mit Laminierharz gefüllt wurde. Dazu ist es erforderlich, das die Kanäle auf der dem Einlass entgegengesetzten Stirnseite verschlossen werden.
3. Es wird ein fertiger CFK-Sandwichstab in den Kanal eines stranggepressten Profils gesteckt wird, das vorher zumindest teilweise mit Laminierharz gefüllt wurde. Dazu ist es erforderlich, das die Kanäle auf der dem Einlass entgegen gesetzten Stirnseite verschlossen werden.
4. CFK-Vollstab bzw. CFK-Sandwichstab werden nachträglich mit einem oder mehreren Gewebeschläuchen versehen und mit diesen durch die Kanäle gezogen.

1. Ausführungsbeispiel: CFK-Gurte in einem stranggepressten Aluminium-Profil

3 und 4 zeigen Ausschnitte aus stranggepressten Aluminium-Rechteckprofilen (10), in deren Ecken sich Kanäle mit kreisförmigen Querschnitten (11) befinden. In dem Ausschnitt aus 3 wurde dieser Kanal mit einem CFK-Vollstab (12) und dem aus 4 mit einem CFK-Sandwichstab (13) gefüllt. Sowohl der CFK-Vollstab wie auch der CFK-Sandwichstab bestehen aus unidirektionalen Hochmodul-C-Fasern Tenax UMS 2526, die jeweils von einem Glasfaser-Schlauchgewebe umgeben sind. Das Schlauchgewebe bildet hier eine Ausgleichsschicht (14), die mögliche Spannungen in der Klebschicht zwischen CFK und Metall abmindert.

5 zeigt ein Rechteckprofil (30) mit rechteckigen Kanälen (11), von denen ein Kanal mit einem rechteckigen CFK-Vollstab ausgefüllt ist. Auch in diesem Fall befindet sich zwischen CFK-Stab und Umgebung eine Ausgleichsschicht (34) aus einem Fasergewebe.

2. Ausführungsbeispiel: CFK-Sandwichstäbe oder CFK-Vollstäbe in einem Stahlrohr

In 2 wurde bereits ein einzelnes dünnwandiges Rohr (20) beschrieben, das mit einem CFK-Sandwichstab (23) bzw. einem CFK-Vollstab (22) gefüllt ist. Das entsprechende Ausführungsbeispiel stellt einen Führungsstab bzw. -rohr dar, wie es in ähnlicher Form für Linearverschiebungseinheiten verwendet wird. Dabei gibt das Metallrohr (20) (z.B. Edelstahlrohr) die exakte Kalibrierung sowie die Metalloberfläche vor, die für Kugellagerführungen erforderlich ist, während der CFK-Vollstab (22) oder ein CFK-Sandwichstab (23) dem Metallrohr eine hohe gewichtsbezogene Biegesteifigkeit verleiht.

3. Ausführungsbeispiel: CFK-Sandwichstäbe in einem Edelstahlrohr
Ein anderes Anwendungsbeispiel betrifft CFK-Steuerstangen für Flugzeuge. Hier werden teilweise CFK-Stangen mit nicht kalibrierten Kreisquerschnitten und rauer Oberfläche verwendet. Überall dort, wo diese Stangen mit möglichst geringer Reibung in Kugellagerbüchsen geführt werden müssen, werden die CFK-Sandwichstäbe abschnittsweise mit kalibrierten Stahlrohrstücken (20) (z.B. Edelstahlrohre) überzogen.

Claims

Nachträgliches Verstärken rohrförmiger Kanäle (11, 20, 31) dadurch gekennzeichnet, dass rohrförmige Kanäle innen mit Faserverbundwerkstoff gefüllt werden.
Nachträgliches Verstärken rohrförmiger Kanäle (11, 20, 31) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die rohrförmigen Kanäle Bestandteile stranggepresster oder stranggezogener Profile (20, 30) sind.
Nachträgliches Verstärken rohrförmiger Kanäle (11, 20, 31) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die rohrförmigen Kanäle Bestandteile von Profilen sind, die aus Rohren und Platten zusammengefügt sind.
Nachträgliches Verstärken rohrförmiger Kanäle (11, 20, 31) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die rohrförmigen Kanäle einzelne Rohre (20) sind.
Nachträgliches Verstärken rohrförmiger Kanäle (11, 20, 31) nach Anspruch 2 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Profile oder Rohre aus metallischen Werkstoffen bestehen.
Nachträgliches Verstärken rohrförmiger Kanäle (11, 20, 31) nach Anspruch 2 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Profile oder Rohre aus Kunststoffen bestehen.
Nachträgliches Verstärken rohrförmiger Kanäle (11, 20, 31) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zur Verstärkung die rohrförmigen Kanäle mit Stäben aus Carbonfaserkunststoff (CFK) gefüllt sind, die überwiegend in Längsrichtung orientierte Fasern haben.
Nachträgliches Verstärken rohrförmiger Kanäle (11, 20, 31) nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die rohrförmigen Kanäle mit CFK-Vollstäben (12, 22, 32) gefüllt sind.
Nachträgliches Verstärken rohrförmiger Kanäle (11, 20, 31) nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die rohrförmigen Kanäle mit CFK-Sandwichstäben (13, 23,) gefüllt sind.
Nachträgliches Verstärken rohrförmiger Kanäle (11, 20, 31) nach Anspruch 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen dem CFK-Stab und dem Umgebungsmaterial eine Schicht aus einem oder mehreren Fasergewebeschläuchen (14, 24, 34) befindet.
Nachträgliches Verstärken rohrförmiger Kanäle (11, 20, 31) nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht aus einem oder mehreren Glasfasergewebeschläuchen besteht.
Verfahren zum nachträglichen Verstärken rohrförmiger Kanäle (11, 20, 31) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass mit Harz getränkte Faserstränge mit Hilfe eines oder mehrerer dünner harzgetränkter Faserschlauchgewebe in die rohrförmigen Kanäle gezogen werden.
Verfahren zum nachträglichen Verstärken rohrförmiger Kanäle (11, 20, 31) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ausgehärtete CFK-Vollstäbe in die mit Laminierharz versehenen rohrförmigen Kanäle geschoben werden.
Verfahren zum nachträglichen Verstärken rohrförmiger Kanäle (11, 20, 31) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ausgehärtete CFK-Sandwichstäbe in die mit Laminierharz versehenen rohrförmigen Kanäle geschoben werden.
Verfahren zum nachträglichen Verstärken rohrförmiger Kanäle (11, 20, 31) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ausgehärtete CFK-Vollstäbe mit Hilfe dünner, mit Harz getränkter Faserschlauchgewebe in die rohrförmigen Kanäle gezogen werden.
Verfahren zum nachträglichen Verstärken rohrförmiger Kanäle (11, 20, 31) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ausgehärtete CFK-Sandwichstäbe mit Hilfe dünner, mit Harz getränkter Faserschlauchgewebe in die rohrförmigen Kanäle gezogen werden.